低温钢材料焊接作业操作规程.doc

规定名称文件编号：HZ-P16-R0版 本 号：0低温钢材料焊接作业操作规程目的：本规定的目的是规范低温钢材料手工钨极氩弧焊工艺操作。范围：本规定适用于对低温钢以及不同低温钢材所组成接头的压力管道受压元件焊缝的手工钨极氩弧焊焊接。定义：钨极氩弧焊:用纯钨或活化钨(钍钨、铈钨等)作为电极的惰性气体保护电弧焊。规 定 内 容1. 低温钢概述1) 对于低温钢的技术要求一般是：在低温环境下具有足够的强度和充分的韧性，具有良好的焊接工艺性能、加工性能和耐腐蚀性等。其中低温韧性，即低温下防止脆性破坏发生和扩展的能力是最重要的因素。所以，各国通常都规定出最低温度下的一定的冲击韧性值。2) 在低温钢成分中，一般认为，碳、硅、磷、硫、氮等元素使低温韧性恶化，其中磷的危害最大，所以在冶炼中应早期低温脱磷。锰、镍等元素能使低温韧性提高。每增加1%的镍含量，脆性临界转变温度约可降低20左右。3) 热处理工艺对低温钢的金相组织和晶粒度有决定性影响，从而也影响钢的低温韧性。经过调质处理后的低温韧性有明显的提高。4) 根据热加工成型方式的不同，低温钢可分为铸钢和轧材两种。根据成分和金相组织的区别，低温钢可分为：低合金钢、6镍钢、9镍钢、铬锰或铬锰镍奥氏体钢以及铬镍奥氏体不锈钢等。低合金钢一般在一100左右的温区内使用，用于制造冷冻设备、运输设备、乙烯地上贮藏室和石油化工设备等。在美国、英国、日本等国家，9镍钢广泛应用于一196的低温结构上，如保存、运输液化沼气和甲烷的贮罐、贮存液氧、制造液氧和液氮的设备等。奥氏体不锈钢是非常优良的低温用结构材料，它的低温韧性好、焊接性能优良、导热率低，在低温领域里得到广泛应用，用于液氢、液氧的运输罐车和贮罐等。但是，由于它含铬、镍较多，因而比较昂贵。2. 低温钢焊接施工概述选择低温钢的焊接施工方法和施工条件时，问题的焦点集中在这样两方面：防止焊接接头的低温韧性恶化，防止焊接裂纹发生。1) 坡口加工低温钢焊接接头的坡口形式跟普通碳素钢、低合金钢或者不锈钢的并没有什么原则区别，可以按常规处理。但是对9Ni刚来讲，坡口张角最好不小于70度，钝边最好不少于3mm。所有低温钢材都可以用氧炔焰来切割。只是在气割9Ni钢时切割速度要比气割普通碳素结构钢时稍稍放慢一些。钢材厚度若超过100mm，气割前可将割口预热到150200，但不得超过200。气割对受焊接热影响的区域并没有什么不良的影响。但是由于含镍钢具有自硬特性，割口表层会硬化。为了确保焊接接头能有令人满意的性能，施焊前最好用砂轮将割口表层打磨平整干净。在焊接施工中倘若要除掉焊道或母材，可以采用电弧气刨。但是在重新施工之前仍旧应当把槽口表面打磨干净。氧炔焰气刨不能采用，因为它有使钢材过热的危险性。2) 焊接方法的选用低温钢可用的典型焊接方法有电弧焊、埋弧焊、熔化极氩弧焊等。电弧焊是低温钢最常用的焊接方法，它可在各种焊接位置上施焊。其焊接热输入量约是1830KJ/cm左右。倘若使用低氢型电焊条，可以得到完全令人满意的焊接接头，不但机械性能好，缺口韧性也相当优良，此外，电弧焊还有焊机简单便宜，设备投资少，可不受位置、方向的限制等优点。低温钢埋弧焊的热输入量约有1022KJ/cm。由于它设备简单，焊接效率高，操作方便，所以用得很广泛。但是由于焊剂的隔热作用，会使冷却速度减慢，所以产生热裂纹的倾向性也较大，加之从焊剂中常可能有杂质和Si进入焊缝金属，这就会更助长这种倾向，因此在采用埋弧焊时要注意焊丝、焊剂的选配和慎重仔细地进行操作。CO2气体保护焊所焊成的接头韧性较低，所以在低温钢焊接中不予采用。钨极氩弧焊（TIG焊）通常都是手工操作，其焊接热输入量局限在915KJ/cm范围内。因此，虽然焊接接头有完全令人满意的性能，但当钢材厚度超过12mm时就完全不适用了。熔化极氩弧焊(MIG焊)是目前低温钢焊接中应用最广的自动或半自动焊接方法。它的焊接热输入量2340KJ/cm。根据熔滴过渡方式，它可分为短路过渡工艺（热输入量较低）、射流过渡工艺（热输入量较高）和脉冲射流过渡工艺（热输入量最高）三种。短路过渡MIG焊存在着熔深不够的问题，可能出现熔合不良的缺陷。其他方式MIG焊液存在类似问题，只是程度有所不同。为了使电弧更为集中以取得满意的熔深，可以在充当保护气体的纯氩中渗入百分之几到百分之几十的CO2 或O2。合适的百分数应针对所焊的具体钢种通过试验来加以确定。3) 焊接材料的选择焊接材料（包括电焊条、焊丝和焊剂等），通常应当根据采用的焊接方法。接头形式和坡口形状以及其他必须的特性来选择。对低温钢来讲，最需要重视的是应使焊缝金属具有足以跟母材相匹配的低温韧性，尽量减少其中扩散氢的含量。（1） 铝脱氧钢 铝脱氧钢是对焊后冷却速度的影响十分敏感的一个钢种。 铝脱氧钢手工电弧焊所用电焊条大多采用SiMn系低氢型电焊条或者1.5% Ni系、2.0% Ni系电焊条。 为了减低焊接热输入量，铝脱氧钢一般只采用33.2mm的细焊条多层敷焊，这样就可利用上层焊道的二次热循环而使晶粒细化。用Si-Mn系电焊条敷焊的焊缝金属在50时的冲击韧性会随着热输入量的增大而急剧的降低。例如热输入量从18KJ/cm增加的到30KJ/cm时，韧性就会损失60%以上。1.5%Ni系与2.5%Ni系电焊条则对此并不太敏感，因此最好选用这种焊条来施焊。埋弧焊是铝脱氧钢常用的自动焊接法。埋弧焊所用的焊丝组好是含镍1.53.5%与含钼0.51.0%的那种。根据文献介绍，用2.5%Ni0.8%Cr0.5%Mo或2%Ni焊丝，跟适当的焊剂相配合，焊缝金属在-55下的却贝韧性值平均可达56-70J(5.77.1Kgf.m)。甚至在采用0.5%Mo焊丝和锰合金碱性焊剂时，只要热输入量控制在26KJ/cm一下，仍可制出具有-55=55J(5.6Kgf.m)的焊缝金属。焊剂选择时，要注意到焊缝金属中Si与Mn的匹配。试验证明。焊缝金属中不同的Si、Mn含量会使其却贝韧性值有很大的变动，具备最佳韧性值的Si、Mn含量是0.10.2%Si与0.71.1%Mn，在选用焊丝和焊剂时应注意这点。钨极氩弧焊与熔化极氩弧焊，在铝脱氧钢中用得较少。上述供埋弧焊使用的焊丝也可供氩弧焊使用。（2） 2.5Ni钢与3.5Ni2.5Ni钢与3.5Ni的埋弧焊或MIG焊，一般可以用跟母材材质相同的焊丝来施焊。但是正像wilkinson公式（5）所示，Mn是低镍低温钢的热裂抑制元素。使焊缝金属中含锰量保持在1.2%上下，对防止弧坑裂纹之类的热裂纹是十分有利的。在选择焊丝和焊剂的配合时应当重视这点。3.5Ni钢回火脆化倾向较大，因此在为了消除残余应力而进行焊后热处理（例如6201小时，然后炉冷）之后，-100就会从3.8 Kgf.m剧降到2.1Kgf.m从而不能再满足规定，用4.5%Ni0.2%Mo系焊丝敷焊成的焊缝金属，回火脆化倾向就要小得多，采用这种焊丝就可避免上述困难。（3） 9Ni钢9Ni钢通常要通过淬火一回火或者两次正火一回火热处理，以最高限度地提高它的低温韧性。但是这种钢材的焊缝金属就没法像上述那样进行热处理。因此倘若用鉄素体系焊接材料就很难获得具有足以跟母材相匹敌的低温韧性的焊缝金属。目前采用的主要是高镍系焊接材料。这样的焊接材料敷焊的焊缝都市完全奥氏体组织的，虽然它存在强度比9Ni钢母材低和价格非常昂贵的缺点，但是对它来讲，脆性破断已不再是严重的问题。从以上可知：l 由于焊缝金属完全是奥氏体组织，所用焊条和焊丝敷焊的焊缝金属，其低温韧性完全可跟母材相媲美，只是抗拉强度与屈服点比母材低。l 含镍钢具有自硬性，所以绝大多数焊条和焊丝都注意了限制含碳量，以谋求良好的可焊性。l 在焊接材料中Mo是重要的强化元素，而Nb、Ta、Ti和W则是重要的韧化元素，在焊接材料的选配上都已予以充分重视。l 当采用同一种焊丝施焊时，埋弧焊焊缝金属的强度和韧性都比MIG焊的差一些，这可能是由于焊缝冷却速度减慢和可能有杂质或Si从焊剂中渗入而造成的。3. A333-GR6低温钢管道焊接1) A333-GR6 钢的可焊性分析A333GR6 钢属于低温钢， 最低使用温度为-70 ， 通常以正火或正火加回火状态供货。A333-GR6 钢含碳量较低，因此淬硬倾向和冷裂倾向都比较小， 材质韧性和塑性较好， 一般不易产生硬化和裂纹缺陷， 可焊性好，可选用ER80S-Ni1氩弧焊丝与W707Ni 焊条，采用氩电联焊，或选用ER80S-Ni1氩弧焊丝，采用全氩弧焊焊接，以保证焊接接头良好的韧性。氩弧焊焊丝与焊条的品牌也可选用性能相同的产品，但须得到业主的同意方可使用。2) 焊接工艺详细的焊接工艺方法详见焊接工艺指导书即WPS。焊接中， 对直径小于76.2 mm 的管道采用I 型口对接， 全氩弧焊接； 对于直径大于76.2 mm 的管道开V 型坡口，采用氩弧打底多层填充的氩电联焊的方法或全氩弧焊的方法。具体做法按照业主批准的WPS中管径和管壁厚度的不同而选用相应的焊接方法。3) 热处理工艺（1） 焊前预热当环境温度低于5 时需对焊件进行预热， 预热温度为100 150 ； 预热范围是焊缝两侧各100 mm； 用氧乙炔焰（中性焰） 加热， 测温笔在距焊缝中心50 100 mm 处测量温度， 测温点均匀分布， 以更好地控制温度。（2） 焊后热处理为了改善低温钢的缺口韧性，一般采用的材料都已经调质处理，焊后热处理不当，常常会使其低温性能变坏，应当引起足够的重视。因此除了焊件厚度较大或拘束条件很严酷的条件外，低温钢通常都不进行焊后热处理。如CSPC新增LPG管线的焊接即不需进行焊后热处理。如在一些项目中确需进行焊后热处理，焊后热处理的加热速率、恒温时间及冷却速率必须严格按按以下规定执行：l 当温度升至400 以上时， 加热速率不应大于205 25/ /h， 且不得大于330 /h。l 恒温时间应为每25 mm 壁厚恒温1 h， 且不得小于15 min， 在恒温期间最高与最低温差应低于65 。l 恒温后冷却速率不应大于65 25/ /h，且不得大于260 /h， 400 以下可自然冷却。l 采用电脑控制的TS-1 型热处理设备。4) 注意事项（1） 按规定严格预热， 控制层间温度， 层间温度控制在100 200 。每条焊缝应一次焊完，若中断， 应采取缓冷措施。（2） 焊件表面严禁电弧擦伤， 收弧应将弧坑填满并用砂轮磨去缺陷。多层焊的各层间接头要错开。（3） 严格控制线能量， 采用小电流、低电压、快速焊。直径3.2 mm 的W707Ni 焊条每根焊接长度必须大于8cm。（4） 必须采用短弧、不摆动的操作方式。（5） 必须采用全焊透工艺， 并严格按照焊接工艺说明书和焊接工艺卡的要求进行。（6） 焊缝余高0 2mm， 焊缝每侧增宽2mm。（7） 焊缝外观检测合格后， 至少24 h 后方可进行无损检测。管道对接焊缝执行JB 4730-94（8） 压力容器： 压力容器无损检测标准， 级合格。（9） 焊缝返修应在焊后热处理前进行， 若热处理后须返修， 则返修后， 焊缝要重新进行热处理。（10） 若焊缝表面成形几何尺寸超标， 允许修磨， 且修磨后其厚度不得小于设计要求。（11） 对于一般的焊接缺陷最多允许两次返修，若两次返修仍不合格， 则需切除这道焊缝， 按照完整的焊接工艺重新施焊。4. 焊工要求1) 从事低温钢压力管道焊接的焊工必须按压力管道焊工考试的相关要求获得相应的资格证书后，方可担任资格证书中指定项目的焊接工作。2) 焊接施工前，焊工应仔细阅读相应的焊接工艺文件，掌握焊接规范、焊接要求及操作中应采取的措施等，并按焊接工艺文件规定领取合格的焊接材料。3) 施焊前，焊工应仔细检查焊接设备、装配质量等，调整好焊接参数后方能施焊。5. 焊接材料1) 所用的手工钨极氩弧焊焊丝必须有质量证明书及清晰的标记，禁止使用锈蚀及有严重污染的焊丝。2) 焊丝的选用严格按照焊接工艺指导书所指定的牌号和规格。3) 焊丝使用过程中应保持清洁。4) 焊接电极选用钍钨极或铈钨极。5) 保护气体为工业纯氩气，氩气纯度不低于99.9%。6. 焊前准备1) 接头坡口形式、尺寸和装配公差按工艺指导书要求完成。2) 焊件装配完成后，坡口表面及其边缘30mm范围内除去油、锈、水及其它影响焊接质量的污物。3) 焊工根据选用的焊丝直径、焊件厚度、接头型式、焊接位置等因素选择焊接工艺指导书中要求范围内的焊接电流。4) 焊接前，焊接电流的种类和极性、焊丝牌号和直径、焊接电流和焊接层次等手工钨极氩弧焊焊接规范按照焊接工艺文件要求执行。5) 施焊前，应在非焊件上调试焊接电流和气体流量等，禁止在焊缝坡口内试焊。6) 焊接设备选用有足够容量的具有脉冲引弧的直流两用氩弧焊机，气路系统须具有提前供气及延时停气的控制机构，极性采用直流正接法。7) 焊接厚壁结构时，为减少结构变形及焊接接头应力，改善焊接接头性能，应合理安排焊接层次，且每层焊接厚度不大于5mm，以控制焊接热输入量。5. 焊接施工1) 施焊时，采用短弧焊接，弧长控制在3-5mm。2) 焊前预热、焊后热处理按相关的工艺文件规定执行。3) 焊工根据焊件材料种类、厚度、接头型式等选择钨极直径和焊接规范（电源极性、焊丝牌号、直径，保护气体种类、气体流量、焊接电流等）。4) 钨极伸出喷嘴外的长度，一般控制在1-3mm。5) 焊工焊接操作时，根据焊件薄厚作适当运动。焊件较薄的封底焊，焊枪延焊缝方向作直线运动，焊件较厚时，可适当作小幅横向摆动或划圈状运动，以使坡口两侧充分熔化。6) 引弧时，禁止钨极与焊件接触，应将焊嘴漫漫靠近工件，靠脉冲引弧。7) 当添加焊丝时，须在焊缝根部熔化后送入，且焊丝不得与钨极接触。8) 焊接过程中，要随时注意弧长的变化及钨极的烧损情况，及时打磨钨极端部并调整钨极伸出长度。9) 焊接操作严格按照“焊接施工管理制度”有关规定执行。6. 焊后处理1) 根部焊缝焊完经自检合格后，再进行填充或盖面焊道的焊接。2) 焊工焊完一条焊缝，外观处理完毕经自检合格后，按“焊工钢印打印位置规定”打上焊工钢印，待检验人员检查。当手工钨极氩弧焊及其它焊接方法完成同一条焊缝时，应按先后顺序分别打上施焊焊工钢印，对不能打焊工钢印的受压元件，应在检验记录上说明。3) 焊缝检验符合有关的要求。4) 对有缺陷的焊缝，要严格按照“焊缝返修管理制度”要求和业主要求执行。7. 焊缝缺陷和预防措施1) 裂纹焊接接头冷却到较低的温度下（对于钢来说在Ms温度以下），由于拘束应力、淬硬组织和氢的作用下产生的裂纹；材料的淬硬倾向、焊接接头的应力状态及焊缝金属扩散氢的含量等三个因素交互作用的结果，也可能出现延迟裂纹，产生的部位，一般分为焊道下裂纹，焊趾裂纹和焊根裂纹。（1） 产生原因主要发生在使用含氢量较高的焊条和预热温度不足的情况下。在焊接时，焊接材料中的水分，焊件坡口表面的油污、铁锈以及空气温度等都是金属中富氢的主要原因。（2） 预防措施焊前预热是防止延迟裂纹产生的非常有效的措施；在焊接时，焊接材料必须按照标准规范进行烘干；焊件坡口表面的油污、铁锈必须清理干净；采取焊后加热（即后热）或将预热温度在焊后仍保持一段时间，这样延长了冷却时间，降低了钢的淬硬倾向，降低了焊接接头的残余应力，限制了马氏体的百分含量，同时也使扩散氢能充分从焊缝中逸出；采用合理的焊接顺序。2) 未熔合焊缝金属和熔合而成的焊道间没有熔合，熔合度低于规定的范围。由于未熔合而成线性并且端部相对尖锐。它存在于焊接区域的很多部位。（1） 产生原因未熔合的起因有很多。通常可能是由于焊工操作焊条不当。有些焊接方法更容易产生未熔合，因为加热不够集中，导致金属不能充分熔化。另外，接头形状可能会限制熔合，比如对所用的焊接工艺和焊条直径，坡口的角度不够。在则，端面的污物，包括氧化皮和氧化层也会影响焊缝的熔合。（2） 预防措施焊工必须全神贯注在每一位置引导焊弧。否则，有些区域的金属就不能熔化合熔合；电流控制严格按照WPS进行控制。3) 杂质焊道中残留的外界固体物质，如渣，焊剂，钨或氧化物。其中包括金属和非金属。（1） 产生原因夹渣由于在焊缝截面或表面中，由于保护熔化金属的焊剂残留在固化金属中而形成夹渣。固化的焊剂、渣存形成了焊缝截面中的一部分，从而使金属不能熔化，渣可发生在焊缝与母材之间或是在焊道之间。（2） 防范措施对焊工进行技术交底，避免焊接参数不当、焊工操作不当而形成的夹渣，比如运条不当和焊道间清理不干净可导致夹渣；钨极与焊接熔池接触，电弧熄灭，熔化的金属沿着钨极的端部凝固。移开钨极时，钨极端部很容易断裂，施工人员必须打磨，去除钨；4) 气孔（1） 产生原因气孔通常是由于焊接区域有潮汽或有杂质，由于焊接加热而分解形成气体造成的。这些杂质和潮汽来自于焊条，母材，保护气体或周边环境。（2） 防范措施焊工施焊时注意防风挡雨措施，恶劣天气下应对母材进行烘干。5) 咬边（1） 产生原因由于在焊接过程中